热处理6xxx铝合金的晶粒强化对屈服强度的贡献及其作用机理

《METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A-PHYSICAL METALLURGY AND MATERIALS SCIENCE》：Cluster Strengthening Contribution to Yield Strength and Behind Mechanism of Heat-Treatable 6xxx Aluminum Alloys

基于经典沉淀理论与强化模型，本研究揭示了Mg/Si比值、自然时效（NA）时间及人工时效（AA）温度对6xxx铝合金溶质团簇沉淀行为及强化机制的影响。NA阶段形成的溶质团簇直接强化合金，其强化效应随Mg/Si比值升高（从1增至2）增加10MPa，驱动能提升0.3kJ/mol；但AA阶段团簇溶解促进β''相沉淀，导致团簇强化贡献下降而β''相贡献上升，总强度提高。例如，Mg/Si=2、453K时效60min时，NA时间由2周缩短至2天可使强度提升43MPa。该研究为基于热力学动力学协同的铝合金高强度化设计提供了新机制。

　　

摘要

本研究基于经典沉淀理论和强化模型，探讨了6xxx系列铝合金中溶质团簇的沉淀行为及其强化机制。从沉淀热动力学的角度出发，分析了Mg/Si比值、自然时效（NA）时间和人工时效（AA）温度对溶质团簇沉淀行为和强化效果的影响。研究发现，在自然时效过程中沉淀的溶质团簇可以直接增强合金的性能，且随着Mg/Si比值的增加，强化效果会得到提升，这为溶质团簇的沉淀提供了驱动力。以Mg/Si比值从1增加到2为例，溶质团簇的沉淀驱动力增加了0.3 kJ/mol，其强化贡献提高了10 MPa。这些溶质团簇可以在后续的人工时效阶段发生溶解，而较高的Mg/Si比值、较短的自然时效时间和较高的人工时效温度可以加速这一过程。溶质团簇的溶解会导致溶质浓度的增加，从而为β″相的沉淀提供驱动力。因此，虽然溶质团簇的强化贡献有所下降，但β″相的强化贡献上升，使得合金的整体强度得到提升。例如，对于Mg/Si比值为2的合金，在453 K下时效60分钟的情况下，将自然时效时间从2周缩短至2天，可使强度提高43 MPa。我们的研究为理解6xxx系列铝合金的溶质团簇强化机制提供了新的见解，有助于开发高强度铝合金。

本研究基于经典沉淀理论和强化模型，探讨了6xxx系列铝合金中溶质团簇的沉淀行为及其强化机制。从沉淀热动力学的角度分析了Mg/Si比值、自然时效（NA）时间和人工时效（AA）温度对溶质团簇沉淀行为和强化效果的影响。研究发现，在自然时效过程中沉淀的溶质团簇可以直接增强合金的性能，且随着Mg/Si比值的增加，强化效果会得到提升，这为溶质团簇的沉淀提供了驱动力。以Mg/Si比值从1增加到2为例，溶质团簇的沉淀驱动力增加了0.3 kJ/mol，其强化贡献提高了10 MPa。这些溶质团簇可以在后续的人工时效阶段发生溶解，而较高的Mg/Si比值、较短的自然时效时间和较高的人工时效温度可以加速这一过程。溶质团簇的溶解会导致溶质浓度的增加，从而为β″相的沉淀提供驱动力。因此，虽然溶质团簇的强化贡献有所下降，但β″相的强化贡献上升，使得合金的整体强度得到提升。例如，对于Mg/Si比值为2的合金，在453 K下时效60分钟的情况下，将自然时效时间从2周缩短至2天，可使强度提高43 MPa。我们的研究为理解6xxx系列铝合金的溶质团簇强化机制提供了新的见解，有助于开发高强度铝合金。